大家好，今天我们来聊聊增材制造的金属生物材料。这篇《Additively manufactured metallic biomaterials》是发表于《Bioactive Materials》期刊上。随着科技的发展，增材制造技术为金属生物材料的应用带来了新的突破。这项技术能制造出个性化的植入物，满足患者的特定需求。让我们一起深入了解它的奥秘吧！

*本文只作阅读笔记分享*

一、引言

创伤、先天性缺陷和癌症等导致对硬组织替代品的需求日益增长，传统金属植入物存在整合不良等问题，增材制造（AM）为患者特异性植入物的制造提供了新途径，能够制造具有工程化互连多孔结构的复杂形状植入物，以更好地模拟物理、机械、化学和生物特性。

二、金属增材制造技术

2.1 技术概述

基于金属粉末的局部粘结，以逐层方式形成金属结构，通过计算机辅助设计（CAD）模型确定结构，并用合适的 AM 格式（如 STL）转换后进行制造。

2.2 主要技术

粉末床熔融（PBF）：包括激光粉末床熔融（LPBF）和电子束粉末床熔融（EPBF），能生产高精度、高相对密度的部件，但存在高残余应力、各向异性等限制。例如，Ti - 6Al - 4V 合金通过 LPBF 加工时，微观结构为具有高位错密度的针状马氏体或 α′相结构，高冷却速率导致微观结构精细和柱状晶粒。

定向能量沉积（DED）：可用于制造具有高构建速率和体积的植入物，还能进行表面修复和改性，适用于多材料打印。例如，通过 DED 技术制造的负载轴承植入物，如 Marattukalam 等人研究了 DED 过程参数对 NiTi 合金腐蚀性能和微观结构的影响。

粘结剂喷射（BJ）：采用液体粘结剂粘结粉末，无需支撑结构，成本较低，但最终产品的孔隙率较高，需要后处理。例如，BJ 过程中，滚筒将金属粉末铺在构建板上，打印头选择性地注入液体粘结剂，随后进行脱粉和烧结等步骤。

其他技术：如层压物体制造（LOM）和基于挤压的金属 AM 等，相对应用较少或仍在发展中。例如，LOM 技术使用涂有粘性物质的轧制金属板来制造 3D 结构，而不是金属粉末或线材。

三、用于增材制造的金属生物材料

常见金属合金：包括钛（Ti）合金、钽（Ta）合金、铁（Fe）合金、钴 - 铬（Co - Cr）合金、镁（Mg）合金和智能合金等。

材料特点和应用

钛合金：生物相容性好、强度高、耐腐蚀，但硬度和耐磨性相对较差，常用于关节、颅骨、牙科植入物等。例如，钛合金表面通常形成的 TiO₂层可保护合金免受周围恶劣化学环境和腐蚀性体液的影响，且与细胞增殖相关。

钽合金：生物活性和耐腐蚀性好，但其弹性模量和密度较高，成本也高，可用于小植入部件、多孔植入物或涂层。例如，Balla 等人使用 LENS 技术制造多孔钽植入物，其具有不同的孔隙率和机械性能，且骨样的磷灰石层可形成于钽植入物表面，促进骨整合。

铁合金：包括不锈钢 316L 等，具有一定的生物相容性和可接受的机械性能，但长期使用可能导致炎症和过敏反应，常用于临时植入物和手术工具。例如，Jeon 等人研究了通过 LPBF 制造的 316L 不锈钢的微观结构和机械各向异性，发现其在压缩和拉伸测试中存在各向异性。

钴-铬合金：具有良好的硬度、耐磨性和耐腐蚀性，但部分合金中的镍可能引起过敏反应，主要用于牙科和膝关节置换等。例如，Kajima 等人研究了通过选择性激光熔化（SLM）制造的钴-铬-钼合金的微观结构和机械性能，发现热处理温度对其有影响。

镁合金：具有可调节的生物降解性和良好的生物力学相容性，可作为临时骨替代品，但存在打印挑战，如高表面能和氧化等。例如，Li 等人通过添加稀土元素来制造 LPBF 处理的可降解镁支架，以降低其降解速率，约 20% 的支架体积在 4 周后降解。

智能合金：如镍钛（Nitinol）合金，具有形状记忆效应和近人体的弹性模量，但镍离子释放可能导致安全问题，常用于心血管支架、正畸丝和牙套等。例如，Constant 等人研究了 镍钛在生物和生理流体中的降解和腐蚀抗性，记录了镍和钛的释放以及表面形态的变化。

四、植入物增材制造的设计方法

拓扑优化：旨在获得满足特定目标和约束的最优结构布局，可缓解应力屏蔽问题，常见方法包括基于伪密度设计变量的方法（如 SIMP）、加权多目标拓扑优化、应力-基于拓扑优化和填充及周长控制策略等。例如，Iqbal 等人通过多目标拓扑优化方法设计了骨盆假体，为不同切除类型提供了优化的植入物设计。

支架内部孔结构设计：包括随机拓扑（如泡沫）、晶格网络和三重周期最小表面（TPMS）等设计，需优化孔形状、大小、孔隙率、互连性和微拓扑表面特征等以满足机械和生物要求。例如，通过 Voronoi tessellation 方法生成随机材料结构，可控制孔隙大小和分布，以更好地模拟骨组织的微观结构。

功能梯度支架：通过定义孔隙特征（如孔隙率、细胞大小和材料梯度）的非均匀分布来满足多种功能需求，已在骨组织工程中展示出潜力，可解决机械功能和高外周渗透性等相互冲突的要求。例如，Han 等人设计了具有径向孔隙梯度的 Ti-6Al-4V 支架，研究了其准静态拉伸、疲劳等性能，发现其在骨组织生长方面具有优势。

五、增材制造植入物的表征

结构缺陷：分为几何和微观结构缺陷，如收缩、残余应力、表面粗糙度、内部孔隙等，这些缺陷会影响植入物的性能，可通过过程参数优化、后处理、设计策略和缺陷模拟等方法减少缺陷。例如，Arabnejad 等人展示了通过选择性激光熔化制造的晶格结构中，几何缺陷（如支柱直径的变化）与支柱取向有关。

弹性机械匹配：当前金属植入物的弹性模量通常高于天然骨，导致应力屏蔽、骨弱化和植入物松动，引入梯度孔隙可降低局部刚度，模仿宿主组织，防止应力屏蔽，促进骨整合。例如，Arabnejad 等人设计了完全多孔的 3D 打印钛股骨柄，以减少全髋关节置换术后的应力屏蔽。

表面性质：表面处理可改善植入物的骨整合和稳定性，如通过稳定氧化物改性、微氧化形成微孔 TiO₂和钙磷层、涂层等方法，同时需控制表面粗糙度和细菌感染等问题。例如，Xiu 等人通过微弧氧化对 3D 打印多孔 Ti-6Al-4V 进行表面处理，增强了其骨整合能力。

疲劳性能：生理载荷导致的疲劳裂纹会引发植入物失效，TPMS 基支架等可改善疲劳耐久性，定制的疲劳测试装置对评估植入物疲劳性能至关重要。例如，Liu 等人研究了通过 LPBF 制造的 Ti - 6Al - 4V 结构的疲劳性能，发现疲劳裂纹导致 β 晶粒周围出现裂纹偏转。

冲击性能：金属植入物常暴露于动态冲击载荷下，缺陷会削弱其冲击抵抗能力，可通过操作直接冲击霍普金森压力杆系统进行研究和改进。例如，Harris 等人研究了不锈钢蜂窝结构在冲击载荷下的响应，发现其能量吸收效率与冲击速度有关。

质量传输和渗透性：多孔支架的渗透性和扩散性对细胞增殖和分化至关重要，许多研究致力于匹配支架渗透性与天然骨组织，计算流体动力学（CFD）是常用的设计工具。例如，Zhang 等人研究了梯度 Ti - 6Al - 4V 支架的渗透性，发现其渗透率在人类骨的范围内。

六、结论和未来展望

当前问题：STL 模型文件大、导入困难、后处理耗时，CAD 软件缺乏直接建模工具，设计模型大且重复数据多，AM 过程复杂、参数多导致零件偏差，粉末材料切换困难，制造时间长，存在各向异性问题，质量控制和原位监测有待加强。

未来方向：结合机器学习优化制造过程，开发多材料结构、自训练算法和人工智能以实现自动化和智能监测，进一步研究金属 4D 打印、可降解金属生物材料以及生物材料与金属的集成，以推动智能自感知植入物的发展。例如，Sing 等人使用机器学习方法预测选择性激光熔化过程中的优化工艺参数，以减少零件的不一致性。

参考文献：

Davoodi E, et al. Additively manufactured metallic biomaterials. Bioact Mater. 2021 Dec 30;15:214-249.